塔河油田奧陶系碳酸鹽巖裂縫成因研究

艾合買提江·阿不都熱和曼　鐘建華?。耍酰颍簟。拢酰悖瑁澹颉。桑睿纾颍椋洹。樱簦铮猓澹?/p>

摘要：塔河油田碳酸鹽巖儲集層主要為巖溶作用、多期構(gòu)造疊加及構(gòu)造變形作用形成的縫洞型儲集層，裂縫具有連通有效儲存空間的橋梁作用。區(qū)分構(gòu)造裂縫與非構(gòu)造裂縫，結(jié)合塔河油田構(gòu)造特征，并對碳酸鹽巖儲層裂縫特征、分類及其成因進行了分析。研究表明：構(gòu)造裂縫為塔河油田巖溶儲層發(fā)育提供了流體運移通道，為油氣的運移，特別是垂向運移提供了條件：非構(gòu)造裂縫的存在改善了儲層儲滲性能，擴大了儲層泄油面積。構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫的存在作為儲層的有利影響因素，對其進行深入研究可以為碳酸鹽巖儲層開發(fā)提供有益參考，并可增加儲層預(yù)測產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽巖；巖溶；構(gòu)造裂縫；非構(gòu)造裂縫；塔河油田

中圖分類號：TEl22.2

文獻標識碼：A

引言

塔里木盆地油氣勘探前景廣闊，位于塔里木盆地中央隆起區(qū)阿克庫勒凸起的塔河油田是塔里木油田的重要勘探區(qū)塊?？碧綄嵺`和研究表明，裂縫是塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油氣富集成藏的主控因素之一，也是油氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件，儲集層類型以縫洞型儲集層為主，裂縫在儲層中起連通有效儲存空間作用。通過塔里木盆地北緣奧陶系碳酸鹽巖露頭區(qū)的野外觀察和對塔河油田試驗區(qū)巖心精細觀察描述，結(jié)合錄井、測井、儲集物性分析、生產(chǎn)測試等資料的綜合研究，對塔河油田奧陶系碳酸鹽巖裂縫的成因進行了深入研究，亦為碳酸鹽巖儲層裂縫模擬提供理論參考。

1碳酸鹽巖裂縫特征及分類

裂縫形成與發(fā)育的控制因素較多，包括巖性、巖層厚度、斷裂作用、構(gòu)造應(yīng)力場特征、局部構(gòu)造、地層負荷變化及巖溶作用等。

碳酸鹽巖構(gòu)造裂縫指巖石受超過其彈性限度的構(gòu)造應(yīng)力作用而破裂形成的裂縫，其形成和發(fā)育受巖性結(jié)構(gòu)、構(gòu)造運動等因素控制。塔河油田奧陶系構(gòu)造裂縫具有邊緣平直、延伸較遠的特征，并具有一定方向性和組系特征，可進一步按構(gòu)造力學性質(zhì)分為壓性裂縫、張性裂縫、壓扭性裂縫和張扭性裂縫。

碳酸鹽巖非構(gòu)造裂縫是由巖石體積力、重力或成巖作用等因素誘發(fā)形成的一種與構(gòu)造應(yīng)力無關(guān)或間接有關(guān)的裂縫類型?？梢詫⑻妓猁}巖中的成巖裂縫、壓溶裂縫和溶蝕裂縫等稱為非構(gòu)造裂縫，以更有利于碳酸鹽巖裂縫分類及成因研究。

碳酸鹽巖復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常由構(gòu)造裂縫與非構(gòu)造裂縫共同構(gòu)成，由于非構(gòu)造裂縫的發(fā)育特征、形成環(huán)境和分布特征等并不像構(gòu)造裂縫那樣有規(guī)律可循，且非構(gòu)造裂縫往往包含于構(gòu)造裂縫中，因此，對構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫進行系統(tǒng)的認識，對于碳酸鹽巖儲層油氣運移研究具有很好的理論和實用價值(表1)。

2構(gòu)造裂縫

奧陶系碳酸鹽巖裂縫性儲集層為塔河油田主要目的層，位于阿克庫勒凸起斜坡帶的灰?guī)r儲層為首要勘探目標。不同構(gòu)造級別和不同構(gòu)造運動期次所產(chǎn)生的裂縫疊加，使裂縫構(gòu)造特點十分復(fù)雜。野外考察發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中部位通常為裂縫發(fā)育有利區(qū)域，裂縫由應(yīng)力小部位向應(yīng)力相對集中的部位收斂，應(yīng)力集中部位易于產(chǎn)生構(gòu)造裂縫。巴楚縣吐木休克附近一間房組露頭發(fā)育近東西向和近南北向共軛剪切斷裂，該層段巖心中也普遍發(fā)育共軛剪切斷裂。該共扼剪切斷裂的發(fā)育在一定程度上影響了與塔里木盆地加里東期有關(guān)的巖溶作用的發(fā)生。

2.1裂縫與斷層伴生

構(gòu)造斷裂與斷層的關(guān)系主要表現(xiàn)為裂縫的力學性質(zhì)和相鄰斷層的力學性質(zhì)相似，應(yīng)形成于同一應(yīng)力場。其他條件相同時，薄層碳酸鹽巖較厚層碳酸鹽巖具有更高的裂縫密度，裂縫間隔與碳酸鹽巖層厚存在正比關(guān)系，對于相同構(gòu)造位置的碳酸鹽巖，當?shù)乇砗偷叵绿妓猁}巖巖石力學性質(zhì)相同時，可由地表裂縫資料預(yù)測由層厚引起的裂縫密度的變化。

對塔河油田奧陶系碳酸鹽巖野外考察發(fā)現(xiàn)，在鄰近斷層發(fā)育的裂縫中，總有一組或幾組裂縫的走向與斷層走向平行或接近平行，巖石破碎程度和裂縫發(fā)育程度均由斷裂向斷裂一側(cè)或兩側(cè)不斷降低，充分反映斷層對裂縫的控制作用；當其他條件相同時，高脆性巖石裂縫密度通常遠高于脆性較低的巖石的裂縫密度。對斷裂方向與裂縫分布特征的研究發(fā)現(xiàn)：斷裂越發(fā)育的區(qū)域，裂縫組系越發(fā)育，裂縫數(shù)量越多；裂縫延伸性和裂縫力學性質(zhì)密切相關(guān)，剪切裂縫延伸性較好，張性裂縫延伸性較差。

2.2殘丘和殘丘斜坡裂縫發(fā)育

斷裂控制的殘丘高點通常為構(gòu)造應(yīng)力集中部位，易形成與斷裂屬于同一麻力場的構(gòu)造裂縫，因此，多條斷裂控制的殘丘高點通常為裂縫發(fā)育的有利區(qū)域。塔河油田奧陶系早期構(gòu)造裂縫發(fā)育，但后期充填非常嚴重，古地貌也在一定程度上影響了巖溶的發(fā)育。阿克庫勒凸起在早海西期為向西南方向傾沒的鼻狀背斜，呈向南東、北西方向下傾的兩翼斜坡，同一巖溶斜坡內(nèi)，巖溶發(fā)育程度受占地貌控制，占地貌高部位(即被埋藏的巖溶殘丘)往往風化剝蝕作用強烈，易形成縫洞發(fā)育的巖溶地貌，使斜坡帶上的巖溶殘丘群儲集性能優(yōu)于巖溶洼地。

2.3地層褶曲部位裂縫發(fā)育

裂縫的發(fā)育與構(gòu)造運動所形成的斷裂及褶皺密切相關(guān)，宏觀上表現(xiàn)為軸部強、翼部弱，高部位強、低部位弱的特征。即斷裂發(fā)育位置及構(gòu)造曲率大的位置構(gòu)造裂縫最為發(fā)育，而斷裂不發(fā)育及構(gòu)造曲率小的位置構(gòu)造裂縫發(fā)育差或不發(fā)育。地層褶曲：部位常發(fā)育斷層，因此，裂縫帶也常發(fā)育于地層褶曲部位。

2.4花狀構(gòu)造分枝斷裂可誘發(fā)裂縫

海西晚期塔河地區(qū)經(jīng)歷逆沖一走滑構(gòu)造運動，產(chǎn)生背沖斷塊、雁行式斷裂和正花狀等構(gòu)造。止花狀構(gòu)造位于多條斷裂的交匯處，易產(chǎn)牛構(gòu)造裂縫，其小型分枝斷裂還能改善儲層儲集條件。綜合分析認為，花狀構(gòu)造分枝斷裂部位為裂縫發(fā)育有利區(qū)域，有利于油氣富集成藏。

2.5裂縫發(fā)育多期性和充填性

根據(jù)裂縫充填關(guān)系、充填情況及充填物性質(zhì)，塔河油田裂縫發(fā)育明顯具有多期性：第一期裂縫為形成于加里東期的構(gòu)造張裂縫，裂縫近于直立，少數(shù)水平和斜交，已被方解石完全充填，裂縫寬度一般為幾毫米到1厘米，裂縫面較為平直，但當裂縫局部被溶蝕形成溶洞時，則會使裂縫壁不規(guī)則，開啟寬度增加，可達0.5～3.0cm；第二期形成的泥質(zhì)充填裂縫切開方解石全充填裂縫，說明方解石全充填張裂縫的形成早于泥質(zhì)充填的壓裂縫；第三期裂縫發(fā)育于海西晚期至印支期，可分為微裂縫和方解石半充填裂縫2種，2種裂縫可能為同期發(fā)育，也可能為2期發(fā)育，許多井中亦可見到微裂縫切割方解石全充填裂縫和泥質(zhì)充填縫現(xiàn)象。

3非構(gòu)造裂縫

根據(jù)形成主控因素可以將碳酸鹽巖非構(gòu)造裂縫分為成巖裂縫、地層負荷裂縫、表生裂縫和溶蝕裂縫等。各型碳酸鹽巖非構(gòu)造裂縫可自成體系，成為儲層中重要的儲集和滲流空間。

3.1成巖裂縫

碳酸鹽巖中的成巖裂縫是受成巖作用形成的裂縫，是沉積物在成巖過程中，由于壓實作用和失水作用形成的裂縫。成巖裂縫一般單個產(chǎn)出并成層分布，在最小厚度層內(nèi)較發(fā)育，但張開度較?。辉诤駥又邪l(fā)育較少，但張開度大。因此，在厚度較小

的碳酸鹽巖層中，成巖裂縫雖然密度較高，但由于開度較小，不利于流體在裂縫中的運移；而厚層碳酸鹽巖中，雖然成巖裂縫密度小，但由于裂縫開度較大，可以為流體運移提供較好的通道。

成巖過程中，由于沉積物脫水、巖石礦物相變、熱梯度等因素造成的巖石體積縮小也可能形成裂縫，統(tǒng)稱為收縮裂縫。研究區(qū)內(nèi)成巖收縮網(wǎng)狀縫主要形成于成巖早期，呈不規(guī)則網(wǎng)狀，裂縫寬度一般為幾微米，常被方解石充填，主要分布于泥晶灰?guī)r和泥質(zhì)條帶中，是含水飽和度較高的以灰泥基質(zhì)為主的沉積物顆粒成巖過程中脫水收縮而形成的。當?shù)貙釉庥霰鶅鰰r也可形成裂縫，冰凍裂縫在形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成因及分布等方面與干燥裂縫相似，但研究區(qū)內(nèi)暫時未發(fā)現(xiàn)。

3.2地層負荷裂縫

3.2.1表層負荷裂縫

深埋地層中，由于巖石處于體積壓縮狀態(tài)，往往阻礙了成巖裂縫和構(gòu)造裂縫的張開，但上覆地層被剝蝕后，由于負荷減輕，成巖裂縫和構(gòu)造裂縫可以張開，并可能形成新的裂縫。塔河油田表層負荷裂縫是地層負荷改變的結(jié)果，為巖石膨脹性誘發(fā)，地下水循環(huán)對裂縫的形成和演化也有一定的影響。

3.2.2差異壓實裂縫

差異壓實裂縫是地層整體抬升，并遭受后期風化、剝蝕作用產(chǎn)生的裂縫，地形上表現(xiàn)為地貌的高低起伏。如斜坡、殘丘等在接受碳酸鹽巖沉積，沉積物從開始沉積到固結(jié)成巖的連續(xù)壓實過程中，當上覆沉積物厚度不均或地形起伏時，沉積物將會因差異壓實作用在起伏的地形周圍產(chǎn)生相對位移，形成披覆構(gòu)造，繼而產(chǎn)生裂縫。由于存在持續(xù)補償沉積作用，差異壓實裂縫發(fā)育程度往往由下向上逐漸減弱。

3.2.3縫合線

縫合線是一種特殊的裂縫構(gòu)造，是巖石被深埋時在上覆沉積物負荷作用下，由于壓力和孔隙流體作用，在應(yīng)力點上巖石礦物顆粒產(chǎn)生選擇性溶解，溶解的物質(zhì)或沉淀于應(yīng)力較小的顆粒表面或遷移到系統(tǒng)之外而形成港灣狀或齒狀鑲嵌穿插的構(gòu)造?？p合線是壓實與壓溶作用共同作用的產(chǎn)物，其指狀尖端指示受力方向，幅度的高低則反映壓實、壓溶的程度。由于溶解后被帶走的組分以碳酸鈣為主，因此，縫合線表面常殘存泥質(zhì)、炭質(zhì)等不溶雜質(zhì)，并富集固體有機質(zhì)。

3.3表生裂縫

表生裂縫是淋濾溶解改造裂縫形成的一類非構(gòu)造裂縫。風化淋濾溶解往往不僅發(fā)生在風化表面，也可以滲透到碳酸鹽巖深部。對碳酸鹽巖具有溶蝕作用的流體主要沿已有的空隙和裂縫流動，通過淋濾溶解作用使原有空隙擴大，甚至可以將彼此孤立的空隙聯(lián)系起來，形成裂縫高度連通的層段，當風化作用非常強烈時將可能形成喀斯特地貌。淋濾溶解作用在不整合面附近往往比較強烈，裂縫非常發(fā)育，當不整合面附近巖溶地層被后起沉積低滲透性地層覆蓋時就可以形成良好的圈閉，國內(nèi)外部分高產(chǎn)油田即為該類儲層。

3.4溶蝕裂縫

溶蝕裂縫由溶蝕作用形成，多與壓實無關(guān)，常見于碳酸鹽巖中，是在早期構(gòu)造縫或地層薄弱部位發(fā)育起來的溶蝕擴大縫和溶溝，形態(tài)不規(guī)則，裂縫壁不平整，溶蝕現(xiàn)象明顯。碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物是常見的易溶物質(zhì)，石英和長石顆粒也可被碳酸鹽交代，當碳酸鹽巖中存在可溶性顆?；蚰z結(jié)物時，易溶蝕形成次生縫洞。溶蝕裂縫多出現(xiàn)在表生期和埋藏期，表生期形成的巖溶裂縫多為泥質(zhì)或細、粉屑充填；埋藏期巖形成的溶裂縫多被中一粗晶方解石、石膏充填。但由于溶蝕作用是由不飽和孔隙流體引起，只要孔隙流體性質(zhì)發(fā)生變化成為不飽流體和且保持流動，溶蝕作用就可以持續(xù)進行，因此，溶蝕作用可發(fā)生于沉積后的各個階段。

4結(jié)論

(1)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲層構(gòu)造裂縫的發(fā)育為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)通道，非構(gòu)造裂縫則加速了溶蝕作用的進行，促進巖溶的發(fā)育；巖溶的發(fā)育又可將小裂縫擴展為大裂縫；逐漸加強的溶蝕作用使早期發(fā)育的系列孤立小裂縫發(fā)育成大斷裂或大溶洞，從而極大地改善了碳酸鹽巖層的儲集物性。

(2)非構(gòu)造裂縫的存在，改善了塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲滲性能，擴大了儲層泄油面積，與構(gòu)造裂縫連通的非構(gòu)造裂縫為油氣運移(特別是垂向運移)提供良好條件，成為油氣重要的運移通道。而溶蝕裂縫、縫合線等極大地增加了儲層油氣容量，起到了擴容作用，成為了油氣重要的運聚空間。

(3)構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫的存在有利于塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲層儲集性能的提高，對裂縫進行深入研究可為碳酸鹽巖儲層開發(fā)提供有益參考，并可增加儲層預(yù)測產(chǎn)量。

致謝：在累計近3個月的野外考察期間，得到中國科學院巖溶所夏日元研究員、鄒勝章研究員及Kurt Bucher和Ingrid Stober的支持與幫助，在很大程度上推進了研究工作的進展；中石化領(lǐng)導(dǎo)對研究工作給與了很大的關(guān)注，并在經(jīng)費上給予支持；新疆塔里木沙漠服務(wù)有限公司為項目開展提供了野外用車，在此表示感謝。